一起110kV电缆金属护套环流严重异常原因分析
【摘要】高压单芯电缆金属护套环流的大小能客观的反映电缆线路外护套的健康状况，影响电缆线路运行的额定载流量，进而影响高压电缆的绝缘寿命和安全运行，所以高压电缆金属护套环流的大小成为高压电缆运行中的重要问题之一。本文根据几种单芯高压电缆的接地的特点对一起实际的接地方式引起的电缆故障进行了分析，并分析计算了高压电缆故障运行中出现护套环流过大的主要原因，同时提出了避免护套环流过大应采取的措施和注意事项。
【关键词】电缆；金属护套；接地方式；感应电压；环流
高压和超高压电缆均采用单芯结构，金属护套一方面起径向阻水和抗机械损伤作用，另一方面在系统发生短路故障时为故障电流提供了回流通路。当单芯电缆线芯流过交变的电流时，在线芯的周围必然产生交变的磁场，该交变磁场与金属护套相交联，在金属护套上将产生感应电动势。感应电动势会在护套中产生环流，较大的环流会影响电缆的载流量，同时会产生附加损耗并可能引起电缆发热现象。2011年4月20日，在110KV电缆护套环流的测量中发现，护套环流最大值高达480A，已接近电缆负荷电流，本文结合此次事故的情况，对护套环流异常的原因进行了分析和计算，并提出了解决的对策。
1.设备情况与事件经过
1.1设备概述
1#主变压器110kV规格为YJLW03-63/110kV 1×800mm2，均压线为硬铜绞线型号为TJ-150、截面150mm2，电缆长度230m平行敷设。电缆接线如图1所示.
图1 1#主变110kV电缆接线
1.2事件经过
2011年4月20日检修人员巡检测试1#主变高压侧110KV电缆外护套电流时发现A相电流0.3A，B相450A，C相480A，护套均压线电流120A。随即打开电缆沟盖板发现电缆沟内有焦糊味，检查B相电缆外绝缘熔化近一米，B、C 相外护套接地使下线发热严重，最高温度117℃。故障时主变压器高压侧电流660A。检查发现主变压器侧B、C相外护套引下线在接入护层保护箱前短路，运行中B、C相外护套形成很大的环流，如图2所示。
图2 110KV电缆故障接线图
2.事故原因分析
电缆金属护套两端互联接地环流计算有两种形式：不分段两端互联接地；交叉互联接地。此故障计算应采用不分段两端互联接地方式进行计算，其等值电路可用图3来表示：
图3 等值电路
图3中，Ea、Eb、Ec分别为三相电缆线芯上通过的电流在A、B、C三相电缆金属护套上产生的感应电势，Ea’、Eb’、Ec’分别为三相电缆护套上的环流Isa、Isb、Isc在三相电缆金属护套上产生的感应电势，R1、R2为电缆护套两端的接地电阻，Rc为大地的漏电阻，R为电缆金属护套的电阻，X为电缆金属护套的自感抗。
由图2等值电路可得，电缆线路长度为L（约213m），护套环流的回路方程为：
其中R=RsL，Rs 为单位长度电缆金属护层的电阻；Rc=RgL，Rg 为单位长度的大地的漏电阻；X=2ω㏑（2Dc/Ds），Dc 为金属护层以大地为回路时回路等值深度；Ds为金属护层的直径；X1=2ωln（Dc/S）为单位长度中相和边相金属护层的互感抗；X2=2ωln（Dc/2S）为单位长度边相与边相金属护层的互感抗。
因电缆是平行敷设且金属护层不交叉，故有如下各相感应电势计算公式：
2.1 正常运行方式下电缆外护套电流计算
电缆平行敷设，电缆单端接地，另一端经护层保护器接地，在正常运行状态下，则相当于R2 无穷大，另一端流入大地的只有电容电流，则经直接接地端流入大地的电容电流：
计算出的护套环流的平均有效值与实际运行中的实测值，如表中所示，无明显差异。
2.2 此种故障方式下电缆外护套电流计算
我们知道单芯电缆的导线与金属护套的关系，相当于1：1的变压器的初级绕组与次级绕组。由于电缆运行时导体电流产生的磁力线一部分与铝护套交联在金属护层（护套和屏蔽层）上产生感应电动势，当两相护层短接相当于两个单匝变压器次级绕组短接，理论上护层将产生一个与线芯交流电流同数量级的循环电流。相当于电焊机，如下图所示：
图4 单芯电缆的导线与金属护套的关系图
越远离接地端处感应电压越高，感应电流就越大，图中B、C相电缆金属护层短路形成很大的环流，致使B相电缆绝缘外护套熔化滴落，波纹铝护套裸露，上部外护套残留，熔化的电缆外护套聚乙烯材料滴落凝固在下部地面上，且B
相电缆有2处绝缘外护层鼓包，有气化现象产生。
当BC相护套短路时，故障相护套环流电流：
两端直接接地的护套环流相当大，大约是工作电流的80%，计算值与测量值无太大差异。
3.采取的措施和注意事项
3.1目前，对B、C相电缆金属护层外护套短路进行简单处理后，电缆已投入正常运行，鉴于此次事故的发生已采取了以下措施：①对B、C相电缆外护套引下线采用绝缘隔板隔开，并用绝缘胶带对引下线进行绝缘处理，同时对B相电缆支架移位，使支架与电缆外护套损伤部分分隔开。②加强巡检力度，每天早晨、下午对110KV电缆温度、外护套、均压线接地电流、护层感应电压进行测试并做好记录。部门、公司管理人员每周一次对1#主变110KV电缆进行检查。
③对启备变、2#主变电缆外护套引下线进行检查，以防止类似事故的发生。④加强对电气专业人员的培训，进一步提升事故判断力和检修技能。
3.21#主变110KV电缆现在已投入运行，但电缆绝缘外护层已损坏，电缆主绝缘是否有损伤，损伤严重程度等且金属护层裸露与地面接触，长期运行存在很大隐患。建议采取以下措施：①对损伤的电缆绝缘外护层进行清理，直至路出波纹铝护套，检查铝护套有无损伤后进行绝缘处理。②对金属护套进行绝缘试验，用500V兆欧表测试，每公里绝缘电阻值不低于0.5MΩ，在金属护层与地之间加5KV电压，加压1min不应击穿。③对电缆主绝缘进行耐压试验，耐压87KV，无击穿放电。④电缆沟内电缆固定支架抱箍和绝缘垫重新进行支吊，防止产生涡流。
3.3在今后110KV电缆的运行中应密切注意以下几项有可能引起护套环流异常的因素：①线路的重新设计和改造，有可能会破坏三相感应电压的平衡，引起环流增大。②电缆绝缘隔板绝缘性能破坏或击穿。③护层保护器性能下降或击穿，避免保护器进水。④护套引下线接线是否正确。⑤外护套绝缘水平降低或损伤。
⑥避免施工破坏和外力损伤。
4.结语
文章对我厂1#主变高压侧110KV电缆德接地方式及特点进行了分析，并对电缆外护套环流过大产生的原因进行了深入的计算和原因分析，针对我厂所发生的事故提出了解决方法和对策，同时提出了今后电缆运行中避免环流异常的注意事项。
参考文献：
[1]牛海清.110 kV 单芯电缆金属护套环流计算与试验研究量[J].高电压技术，2005，8（1）：15-17.
